在居民生活用水、工業(yè)用水、各類自來水廠、油田、油庫、鍋爐定壓供熱和恒壓補(bǔ)水噴淋及消防等供水系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的水塔、高位水箱、氣壓增壓等設(shè)備，不但占地面積和設(shè)備投資大，維護(hù)困難，且不能滿足高層建筑、工業(yè)、消防等高水壓、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的隨機(jī)性，采用傳統(tǒng)方法難以保證供水的實(shí)時性，且水泵的選取往往是按最大供水量來確定，而高峰用水時間較短，這樣水泵在很長一段時間內(nèi)有較大余量，不僅水泵效率低，供水壓力不穩(wěn)，而且造成大量電力浪費(fèi)。這里介紹一種由可編程控制器控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)，它既能解決人工操作的繁雜勞動和精神壓力，又能節(jié)約能源。
1、系統(tǒng)介紹
圖1
變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏顯示器、變頻調(diào)速器、壓力變送器、水位變送器、交流接觸器等其它電控設(shè)備以及3臺水泵（水泵數(shù)量可以根據(jù)需要設(shè)置）和一臺小流量泵等構(gòu)成，如圖1所示。在供水系統(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器檢測出水壓力，在蓄水池安裝液位變送器，PLC具有模擬量輸入檢測模塊，檢測壓力變送器和液位變送器輸出的4-20mA信號，將檢測的壓力信號與設(shè)定的壓力信號經(jīng)過PID運(yùn)算后，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng);自動檢測水池水位信號與設(shè)定的水位低限比較，輸出水位低報警信號或直接停機(jī)。觸摸屏顯示器可以顯示電源電壓、電流、變頻器輸出頻率、實(shí)際供水壓力和設(shè)定供水壓力和各泵的工作狀態(tài)等信息;可以通過觸摸屏在線修改設(shè)定供水壓力和控制水泵的運(yùn)行。該系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，尤其是強(qiáng)電邏輯硬件互鎖功能，從而保證正常供水，且可以做到無人值守。
2、工作原理
該系統(tǒng)具有手動和自動兩種運(yùn)行方式：
2.1手動運(yùn)行方式
選擇此方式時，按啟動按鈕泵或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各水泵。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。
2.2自動運(yùn)行方式
2.2.1啟動程序
在自動運(yùn)行方式下開始啟動運(yùn)行時，首先檢測水池水位，若水池水位符合設(shè)定水位要求，1#泵變頻交流接觸器吸合，電機(jī)與變頻器連通，變頻器輸出頻率從0Hz開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋PLC，由PLC經(jīng)PID運(yùn)算后控制變頻器的頻率輸出;如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時一定時間后，將1#泵切換為工頻，2#泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動2#水泵，頻率逐漸上升，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定壓力，依次類推增加水泵。
2.2.2水泵切換程序
如用水量減小，出水壓力超過設(shè)定壓力，則PLC控制變頻器降低輸出頻率，減少出水量來穩(wěn)定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于某一設(shè)定值（水泵出水頻率，一般為25Hz），而出水壓力仍高于設(shè)定壓力值時，PLC開始計時，若在一定時間內(nèi)，出水壓力降低到設(shè)定壓力，PLC放棄計時，繼續(xù)變頻調(diào)速運(yùn)行;若在一定時間內(nèi)出水壓力仍高于設(shè)定壓力，根據(jù)先投先停的原則，PLC將停止正在運(yùn)行的水泵中運(yùn)行時間最長的工頻泵，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定值。
2.2.3啟動小流量泵
對于居民生活供水或其它用水時段性較強(qiáng)的供水系統(tǒng)，可設(shè)置一臺小流量水泵。例如在晚上12點(diǎn)到凌晨5點(diǎn)，居民生活用水很少，一臺30kW的水泵為了維持供水壓力也需要長時間工作在25Hz左右，電動機(jī)不僅要消耗十幾個千瓦的電能，同時還要長期工作在低頻狀態(tài)，大大影響電動機(jī)的壽命。若系統(tǒng)中設(shè)置一臺5KW左右的小流量水泵，為了維持出水壓力，由小流量水泵變頻工作，不僅電動機(jī)工作在較高頻率，而且消耗的電能也很小。在小流量水泵的選擇上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，揚(yáng)程和主泵相同。
2.2.4 水池水位檢測
在自動供水的過程中，PLC實(shí)時檢測水池水位，若水位低于設(shè)定的報警水位時，蜂鳴器發(fā)出缺水報警信號;若水位低于設(shè)定的停機(jī)水位時，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并發(fā)出停機(jī)報警信號;若水池水位高于設(shè)定的水池上限水位時，自動關(guān)斷水池給水管電動閥門。
2.2.5 自動啟動
有時電源會突然斷電，若無人值班，恢復(fù)供電后若系統(tǒng)無法啟動會造成斷水，為此本系統(tǒng)設(shè)置了通電后自動變頻啟動方式。在電源恢復(fù)后，PLC會發(fā)出指令，蜂鳴器發(fā)出警告，然后按自動運(yùn)行方式變頻啟動1#泵，直到穩(wěn)定地運(yùn)行在給定水壓值。
2.2.6 消防報警 當(dāng)出現(xiàn)消防報警信號時，系統(tǒng)立即按照消防壓力運(yùn)行。
2.2.7 故障處理
變頻故障從冗余設(shè)計原則考慮，在變頻器發(fā)生故障時也要不間斷供水。當(dāng)變頻器突然發(fā)生故障，蜂鳴器報警，PLC發(fā)指令使全部水泵停機(jī)，然后1#泵工頻運(yùn)行（若水泵功率大于37KW，則需要采用降壓啟動或其它啟動方式），經(jīng)一定延時后根據(jù)壓力變化情況再使2#泵工頻運(yùn)行。此時，PLC切換泵則根據(jù)實(shí)際水壓的變化在工頻泵間切換。當(dāng)出現(xiàn)水池?zé)o水停機(jī)、電動機(jī)欠壓、過壓、錯相、電機(jī)故障等情況時，均能由蜂鳴器發(fā)出警報聲。條件許可時可以添加MODEM模塊，在變頻器、電動機(jī)發(fā)生故障時能通過遠(yuǎn)程通信口撥叫值班人員電話，通知有關(guān)人員前來維修。所有故障解決、恢復(fù)正常后，自啟動前也要發(fā)出報警信號。
3、控制系統(tǒng)配置及軟件編程
3.1控制系統(tǒng)硬件配置
3.1.1 PLC的選擇
可編程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主機(jī)，I/O點(diǎn)數(shù)為40點(diǎn)（24個輸入點(diǎn)和16個輸出點(diǎn)），具有2個RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。自由通訊口方式是S7-200 PLC的一個很有特色的功能，它使S7-200 PLC可以由用戶自己定義通訊協(xié)議。利于自由通訊口方式，在本系統(tǒng)中PLC可以與變頻器和觸摸屏方便連接。模擬量輸入采用4路12位A/D模擬量輸入的EM231模塊，具有較高的精度。PLC編程采用STEP7-Micro/WIN編程軟件，它提供一個完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語句表的互相轉(zhuǎn)換。
3.1.2 變頻器及控制方式選擇
在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，變頻器的啟動/停止由PLC通過開關(guān)量輸出控制，變頻器頻率是由PLC通過模擬量輸出端口輸出0～5（10）V或4～20mA信號控制的，這需要購買PLC比較昂貴的模擬量輸出端口模塊。對變頻器故障的檢測是只是由PLC讀取變頻器的故障報警觸點(diǎn)，只是知道變頻器出現(xiàn)故障，但具體什么故障并不清楚，需操作人員查詢變頻器報警信息后再閱讀變頻器說明書才知道，這對于一般值班人員來說太難了。
因此在本系統(tǒng)中PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)的，變頻器選用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列風(fēng)機(jī)/泵類專用變頻器，它們具有RS-485通訊接口，性價比較高。PLC通過自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運(yùn)行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計運(yùn)行時間和過壓、過流、過負(fù)荷等全部報警信息等參數(shù)，并通過觸摸屏顯示出來，這比通過外部端口控制變頻器的運(yùn)行具有較高的可靠性，節(jié)省了PLC寶貴的I/O端口，又獲的了大量變頻器的信息。
3.1.3 觸摸屏
觸摸屏選用臺灣HITCH公司生產(chǎn)的PWS系列，它具有豐富的驅(qū)動程序，可方便地通過串口與S7-200系列PLC通訊。通過觸摸屏可以直觀地顯示各泵的運(yùn)行狀態(tài)、管網(wǎng)實(shí)際出水壓力、設(shè)定壓力、變頻器的電壓、電流、功率及各種故障信息等參數(shù);操作人員通過觸摸屏可以方便的在線設(shè)置生活供水壓力、消防供水壓力、變頻器加減速時間、各泵的在線/檢修狀態(tài)等參數(shù)，并可以通過觸摸屏控制各水泵的運(yùn)行。
3.1.4 控制電路設(shè)計
在控制電路設(shè)計中，注意到系統(tǒng)自動/手動轉(zhuǎn)換、每臺水泵的變頻接觸器和工頻接觸器、各水泵的變頻接觸器在電氣上的連鎖，防止系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺水泵工頻和變頻電源同時接通或多臺水泵同時接通變頻電源的現(xiàn)象。系統(tǒng)主要控制回路如圖2所示。
圖2
3.2 PLC軟件編程
整個系統(tǒng)PLC既有開關(guān)量和模擬量的輸入/輸出，又有與變頻器和觸摸屏的通訊，因此在PLC控制軟件編程上采用模塊式結(jié)構(gòu)，各種功能的程序模塊通過主程序有機(jī)地結(jié)合起來，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
在主程序中，PLC上電初使化，檢測系統(tǒng)各部分狀態(tài)信息，若有報警信息則首先發(fā)出警告，若無報警信息，則開始從1#泵（1#泵被切除出系統(tǒng)，則從泵號最小的在線泵）變頻啟動，實(shí)時檢測出水壓力并進(jìn)行PID運(yùn)算，控制變頻器的輸出頻率，保持供水壓力恒定;若變頻器頻率達(dá)到50Hz延時幾秒后，出水壓力仍低于設(shè)定壓力，則將1#泵切換為工頻，變頻啟動2#泵以保持壓力恒定并依此類推。若出水壓力超過設(shè)定壓力，則變頻器降低輸出頻率來穩(wěn)定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于設(shè)定水泵出水頻率而出水壓力仍高于設(shè)定壓力值時，延時一段時間后根據(jù)先投先停的原則，停止正在運(yùn)行水泵中運(yùn)行時間最長的工頻泵，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定值。若系統(tǒng)只有一臺水泵變頻運(yùn)行且連續(xù)一段時間頻率低于設(shè)定出水頻率，則切除變頻運(yùn)行主泵，投入小流量泵，既保護(hù)主泵電動機(jī)，又節(jié)約能源。
4、結(jié)束語
在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，可根據(jù)實(shí)際需要水壓的變化自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能降耗;系統(tǒng)增加了小流量泵，延長主泵電動機(jī)使用壽命。變頻器故障后仍能自動運(yùn)行，基本保障了不間斷供水，同時采用PLC與變頻器通訊的方式控制變頻器運(yùn)行，具有一定的先進(jìn)性。
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